Fungsi Green

Dari testwiki
Loncat ke navigasi Loncat ke pencarian

Templat:About Dalam matematika, Fungsi Green adalah respons impuls dari tidak homogen linier operator diferensial yang ditentukan pada domain.

Artinya jika L adalah operator diferensial linier, maka

  • fungsi Green G adalah solusi dari persamaan LG = δ , di mana δ adalah Fungsi delta Dirac;
  • solusi dari masalah nilai awal Ly = f adalah konvolusi ( G * f ), di mana G adalah fungsi Green .

Melalui prinsip superposisi, diberi persamaan diferensial linear (ODE), L (solusi) = sumber, yang pertama bisa diselesaikan Templat:Math, untuk setiap Templat:Mvar, dan menyadari bahwa, karena sumber adalah jumlah dari fungsi delta, solusinya adalah penjumlahan fungsi Green juga, dengan linearitas Templat:Mvar .

Fungsi Green dinamai menurut ahli matematika Inggris George Green, yang pertama kali mengembangkan konsep ini pada tahun 1830-an. Dalam studi modern tentang persamaan diferensial parsial linier, fungsi Green dipelajari sebagian besar dari sudut pandang solusi fundamental.

Di bawah teori benda banyak, istilah ini juga digunakan dalam fisika, khususnya dalam teori medan kuantum, aerodinamika, aeroakustik, elektrodinamika, seismologi dan teori medan statistik, untuk merujuk pada berbagai jenis fungsi korelasi, bahkan yang tidak sesuai. Dalam teori medan kuantum, fungsi Green berperan sebagai propagator.

Definisi dan kegunaan

Fungsi A Green, Templat:Math, dari operator diferensial linear L=L(x) bertindak pada distribusi selama himpunan bagian dari ruang Euklides n, pada satu titik Templat:Math, adalah solusi dari Templat:NumBlk dengan Templat:Math adalah Fungsi delta Dirac. Properti dari fungsi Green ini dapat dimanfaatkan untuk menyelesaikan persamaan diferensial dari bentuk tersebut Templat:NumBlk

Jika kernel dari Templat:Math adalah non-trivial, maka fungsi Green tidak unik. Namun, dalam praktiknya, beberapa kombinasi simetri, kondisi batas dan / atau kriteria yang ditentukan secara eksternal akan memberikan fungsi Green yang unik. Fungsi Green dapat dikategorikan, menurut jenis kondisi batas yang dipenuhi, dengan bilangan fungsi Green. Selain itu, fungsi Green secara umum adalah distribusi, tidak harus fungsi dari variabel nyata.

Fungsi Green juga merupakan alat yang berguna dalam menyelesaikan persamaan gelombang s dan persamaan difusi. Dalam mekanika kuantum, fungsi Green dari Hamiltonian adalah konsep kunci dengan kaitan penting dengan konsep kepadatan keadaan.

Fungsi Green seperti yang digunakan dalam fisika biasanya didefinisikan dengan tanda yang berlawanan. Itu adalah,

LG(x,s)=δ(xs).

Definisi ini tidak secara signifikan mengubah salah satu properti fungsi Green karena kemerataan fungsi delta Dirac.

Jika operatornya invariansi terjemahan, yaitu kapan L memiliki koefisien konstan sehubungan dengan Templat:Math, maka fungsi Green dapat dianggap sebagai kernel konvolusi, yaitu,

G(x,s)=G(xs).

Dalam hal ini, fungsi Green sama dengan respons impuls teori sistem invarian waktu linear.

Motivasi

Templat:See also Singkatnya, jika fungsi seperti itu Templat:Mvar dapat ditemukan untuk operator L, kemudian, jika kita mengalikan persamaan (1) untuk fungsi Green dengan Templat:Math, dan kemudian mengintegrasikannya dengan Templat:Mvar, kita mendapatkan ,

LG(x,s)f(s)ds=δ(xs)f(s)ds=f(x).

Karena operator L=L(x) linear dan hanya bekerja pada variabel Templat:Mvar (dan tidak pada variabel integrasi Templat:Mvar), seseorang dapat mengambil operator L di luar integrasi, menghasilkan

L(G(x,s)f(s)ds)=f(x).

Artinya Templat:NumBlk is a solution to the equation Lu(x)=f(x).

Dengan demikian, seseorang dapat memperoleh fungsi Templat:Math melalui pengetahuan tentang fungsi Green dalam persamaan (1) dan suku sumber di sisi kanan dalam persamaan (2). Proses ini bergantung pada linieritas operator L.

Dengan kata lain, solusi persamaan (2), Templat:Math, dapat ditentukan dengan integrasi yang diberikan dalam persamaan (3). Meskipun Templat:Math diketahui, integrasi ini tidak dapat dilakukan kecuali Templat:Mvar juga dikenal. Masalahnya sekarang terletak pada mencari fungsi Green Templat:Mvar yang memenuhi persamaan (1). Untuk alasan ini, fungsi Green terkadang juga disebut solusi fundamental yang terkait dengan operator L.

Tidak semua operator L mengakui fungsi Green. Fungsi Green juga dapat dianggap sebagai invers kanan dari L. Selain kesulitan menemukan fungsi Green untuk operator tertentu, integral dalam persamaan (3) mungkin cukup sulit untuk dievaluasi. Namun metode memberikan exac secara teoritis.

Ini dapat dianggap sebagai perluasan dari Templat:Mvar menurut basis Fungsi delta Dirac (memproyeksikan Templat:Mvar ke atas δ(xs); dan superposisi solusi pada setiap proyeksi. Persamaan integral semacam itu dikenal sebagai persamaan integral Fredholm, yang studinya merupakan teori Fredholhm

Templat:See also

Fungsi Green untuk menyelesaikan masalah nilai batas yang tidak homogen

Penggunaan utama fungsi Green dalam matematika adalah untuk menyelesaikan masalah nilai batas non-homogen. Dalam fisika teoretis modern, fungsi Green juga biasanya digunakan sebagai propagator dalam diagram Feynman; istilah Fungsi Hijau sering digunakan lebih lanjut untuk fungsi korelasi.

Kerangka

Maka L menjadi operator Sturm–Liouville, operator diferensial linear dari bentuk

L=ddx[p(x)ddx]+q(x)

dan maka D menjadi operator kondisi batas nilai vektor

Du=[α1u(0)+β1u(0)α2u()+β2u()].

Maka f(x) menjadi fungsi berlanjut pada [0,]. Selanjutnya anggaplah masalahnya

Lu=fDu=0

adalah "biasa", yaitu satu-satunya solusi untuk f(x)=0 untuk semua Templat:Mvar u(x)=0.Templat:Efn

Teorema

Hanya ada satu solusi u(x) maka

Lu=fDu=0

and it is given by

u(x)=0f(s)G(x,s)ds,

dimana G(x,s) adalah fungsi Green yang memenuhi kondisi berikut:

  1. G(x,s) kontinu dalam x dan s.
  2. Untuk xs, LG(x,s)=0.
  3. Untuk s0, DG(x,s)=0.
  4. Turunan "lompat": G(s0+,s)G(s0,s)=1/p(s).
  5. Simetri: G(x,s)=G(s,x).

Fungsi Green yang maju dan terbelakang

Templat:See alsoTerkadang fungsi Green dapat dibagi menjadi dua fungsi. Satu dengan variabel positif (+) dan yang lainnya dengan variabel negatif (-). Ini adalah fungsi Green lanjutan dan terbelakang, dan ketika persamaan yang diteliti bergantung pada waktu, salah satu bagiannya adalah kausal dan yang lainnya anti-kausal. Dalam masalah ini biasanya bagian penyebab adalah yang terpenting. Ini sering kali merupakan solusi dari persamaan gelombang elektromagnetik tidak homogen.

Menemukan fungsi Green

Satuan

Meskipun tidak secara unik memperbaiki bentuk fungsi Green, melakukan analisis dimensi untuk menemukan satuan yang harus dimiliki fungsi Green adalah pemeriksaan kewarasan yang penting pada fungsi Green yang ditemukan melalui cara lain. Pemeriksaan cepat dari persamaan yang menentukan,

LG(x,s)=δ(xs),

menunjukkan bahwa satuan G tidak hanya bergantung pada satuan L tetapi juga pada bilangan dan satuan ruang di mana vektor posisi x dan s adalah elemen. Ini mengarah pada hubungan:

[[G]]=[[L]]1[[dx]]1,

dimana [[G]] didefinisikan sebagai, "satuan fisik G", dan dx adalah elemen volume dari ruang (atau ruangwaktu).

Misalnya, jika L=t2 dan waktu adalah satu-satunya variabel maka:

[[L]]=[[waktu]]2,
[[dx]]=[[waktu]], dan
[[G]]=[[waktu]].

Jika L==1c2t22, Operator d'Alembert, dan ruang memiliki 3 dimensi maka:

[[L]]=[[panjang]]2,
[[dx]]=[[waktu]][[panjang]]3, and
[[G]]=[[waktu]]1[[panjang]]1.

Ekspansi Eigenvalue

Jika operator diferensial Templat:Math menerima satu set vektor eigen Templat:Math (yaitu, satu set fungsi Templat:Math dan skalar Templat:Math such that Templat:Math = Templat:Math ) selesai, maka dimungkinkan untuk membangun fungsi Green dari vektor eigen dan nilai eigen ini.

"Lengkap "artinya kumpulan fungsi { Templat:Math } memenuhi hubungan kelengkapan berikut,

δ(xx)=n=0Ψn(x)Ψn(x).

Kemudian yang berikut berlaku,

G(x,x)=n=0Ψn(x)Ψn(x)λn,

dimana mewakili konjugasi kompleks.

Menerapkan operator Templat:Math ke setiap sisi persamaan ini menghasilkan relasi kelengkapan, yang telah diasumsikan.

Studi umum tentang fungsi Green yang ditulis dalam bentuk di atas, dan hubungannya dengan ruang fungsi yang dibentuk oleh vektor eigen, dikenal sebagai teori Fredholm.

Ada beberapa metode lain untuk menemukan fungsi Green, termasuk metode gambar, pemisahan variabel, dan Transformasi Laplace (Cole 2011).

Menggabungkan fungsi Green

Dari operator diferensial L dapat difaktorkan sebagai L=L1L2 maka fungsi Green dari L bisa dibangun dari fungsi Green untuk L1 dan L2:

G(x,s)=G2(x,s1)G1(s1,s)ds1.

Identitas di atas segera mengikuti dari pengambilan G(x,s) menjadi representasi dari operator kanan invers dari L, analog dengan cara operator linear invers C, didefinisikan oleh C=(AB)1=B1A1, diwakili oleh elemen matriksnya Ci,j.

Identitas selanjutnya untuk operator diferensial yang merupakan polinomial skalar dari turunannya, L=PN(x). Teorema fundamental aljabar, dikombinasikan dengan fakta bahwa x bepergian dengan sendirinya, menjamin bahwa polinomial dapat difaktorkan, dengan menempatkan L dalam bentuk:

L=i=1N(xzi),

dengan zi adalah angka nol dari PN(z). Mengambil Transformasi Fourier dari LG(x,s)=δ(xs) sehubungan dengan x dan s gives:

G^(kx,ks)=δ(kxks)i=1N(ikxzi).

Pecahan kemudian dapat dibagi menjadi jumlah menggunakan Dekomposisi pecahan sebagian sebelum Fourier mengubah kembali ke spasi x dan s. Proses ini menghasilkan identitas yang menghubungkan integral fungsi Green dan jumlah yang sama. Misalnya, jika L=(x+γ)(x+α)2 maka salah satu bentuk dari fungsi Green nya adalah:

G(x,s)=1(αγ)2Θ(xs)eγ(xs)1(αγ)2Θ(xs)eα(xs)+1γαΘ(xs)(xs)eα(xs)=Θ(xs1)(xs1)eα(xs1)Θ(s1s)eγ(s1s)ds1.

Sementara contoh yang disajikan dapat ditelusuri secara analitis, ini mengilustrasikan proses yang bekerja ketika integralnya tidak sepele (misalnya, ketika 2 adalah operator dalam polinomial).

Tabel fungsi Green

Tabel berikut memberikan gambaran umum tentang fungsi Green dari operator diferensial yang sering muncul, di mana r=x2+y2+z2, ρ=x2+y2, Θ(t) adalah fungsi langkah Heaviside, Jν(z) adalah fungsi Bessel, Iν(z) adalah fungsi Bessel yang dimodifikasi dari jenis pertama, dan Kν(z) adalah Fungsi Bessel yang dimodifikasi dari jenis kedua.[1] Di mana waktu (Templat:Math) muncul di kolom pertama, fungsi Green lanjutan (kausal) terdaftar.

Operator diferensial Templat:Mvar Fungsi Green Templat:Mvar Contoh aplikasi
tn+1 tnn!Θ(t)
t+γ Θ(t)eγt
(t+γ)2 Θ(t)teγt
t2+2γt+ω02 Θ(t)eγtsin(ωt)ω   with   ω=ω02γ2 Osilator harmonik teredam 1D
Operator Laplace 2D Δ2D=x2+y2 12πlnρ   with   ρ=x2+y2 Persamaan 2D Poisson
Operator Laplace 3D Δ3D=x2+y2+z2 14πr   with   r=x2+y2+z2 Persamaan Poisson
Operator Helmholtz Δ3D+k2 eikr4πr=ik32πrH1/2(2)(kr)=ik4πh0(2)(kr) 3D stasioner persamaan Schrödinger untuk partikel bebas
Δk2 in n dimensions (2π)n/2(kr)n/21Kn/21(kr) Potensi Yukawa, Penyebar Feynman
t2c2x2 12cΘ(t|x/c|) 1D wave equation
t2c2Δ2D 12πcc2t2ρ2Θ(tρ/c) 2D persamaan gelombang
D'Alembert operator =1c2t2Δ3D δ(trc)4πr 3D persamaan gelombang
tkx2 Θ(t)(14πkt)1/2ex2/4kt 1D difusi
tkΔ2D Θ(t)(14πkt)eρ2/4kt 2D difusi
tkΔ3D Θ(t)(14πkt)3/2er2/4kt 3D difusi
1c2t2x2+μ2 12[(1sinμct)(δ(ctx)+δ(ct+x))+μΘ(ct|x|)J0(μu)],u=c2t2x2 1D Persamaan Klein–Gordon
1c2t2Δ2D+μ2 14π[(1+cos(μct))δ(ctρ)ρ+μ2Θ(ctρ)sinc(μu)],u=c2t2ρ2 2D Persamaan Klein–Gordon
+μ2 14π[δ(trc)r+μcΘ(ctr)J1(μu)u],u=c2t2r2 3D Persamaan Klein–Gordon
t2+2γtc2x2 12eγt[δ(ctx)+δ(ct+x)+Θ(ct|x|)(γcI0(γuc)+γtuI1(γuc))],u=c2t2x2 telegrapher's equation
t2+2γtc2Δ2D eγt4π[(1+eγt+3γt)δ(ctρ)ρ+Θ(ctρ)(γsinh(γuc)cu+3γtcosh(γuc)u23ctsinh(γuc)u3)],u=c2t2ρ2 2D konduksi panas relativistik
t2+2γtc2Δ3D eγt20π[(83eγt+2γt+4γ2t2)δ(ctr)r2+γ2cΘ(ctr)(1cuI1(γuc)+4tu2I2(γuc))],u=c2t2r2 3D konduksi panas relativistik

Contoh

Contoh. Temukan fungsi Hijau untuk masalah berikut, dengan Nomor fungsi Green adalah X11:

Lu=u+k2u=f(x)u(0)=0,u(π2k)=0.

Langkah pertama: Fungsi Green untuk operator linier yang ada didefinisikan sebagai solusi untuk

g(x,s)+k2g(x,s)=δ(xs).

Jika xs, maka fungsi delta memberikan nol, dan solusi umumnya adalah

g(x,s)=c1coskx+c2sinkx.

Untuk x<s, kondisi batas di x=0 menyiratkan

g(0,s)=c11+c20=0,c1=0

jika x<s and sπ2k.

Untuk x>s, kondisi batas di x=π2k menyiratkan

g(π2k,s)=c30+c41=0,c4=0

Persamaan g(0,s)=0 dilewati karena alasan yang sama.

Untuk meringkas hasil sejauh ini:

g(x,s)={c2sinkx,for x<s,c3coskx,for s<x.

Tahap kedua: Tugas selanjutnya adalah menentukan c2 dan c3.

Memastikan kontinuitas dalam fungsi Green di x=s menyiratkan

c2sinks=c3cosks

Seseorang dapat memastikan diskontinuitas yang tepat pada turunan pertama dengan mengintegrasikan persamaan diferensial dari x=sε untuk x=s+ε dan mengambil batas sebagai ε pergi ke nol:

c3(ksinks)c2(kcosks)=1

Dua persamaan kontinuitas (dis) dapat diselesaikan untuk c2 dan c3 to obtain

c2=cosksk;c3=sinksk

Jadi fungsi Green untuk masalah ini adalah:

g(x,s)={cosksksinkx,x<s,sinkskcoskx,s<x.

Lihat pula

Templat:Div col

Templat:Div col end

Catatan Kaki

Templat:Notelist

Referensi

Templat:Reflist

Templat:Refbegin

Templat:Refend

Pranala luar

Templat:Authority control

  1. beberapa contoh diambil dari Schulz, Hermann: Physik mit Bleistift. Frankfurt am Main: Deutsch, 2001. Templat:ISBN (German)